Ein Differentialverstärker ist eines der wichtigsten Geräte in der Elektronik, das zur Signalverstärkung und Rauschreduzierung verwendet wird. Sein Arbeitsprinzip basiert auf der Differentialverstärkung, dh es verstärkt die Spannungsdifferenz an den beiden Eingängen und reduziert Signale mit der gleichen Polarität.
Der Hauptunterschied zwischen einem Differenzverstärker und einem herkömmlichen Verstärker besteht darin, zwei Eingänge und zwei Ausgänge zu haben. Jeder Eingang stellt einen Verbindungspunkt für die Signalquelle dar, und jeder Ausgang stellt einen Übertragungspunkt für das verstärkte Signal dar. Der Differentialverstärker kann die an beiden Eingängen vorhandenen allgemeinen Störungen unterdrücken und nur die Signaldifferenz verstärken.
Der Differentialverstärker besteht aus zwei Eingangskasken, die als "Hälften" bezeichnet werden. Jede Hälfte besteht aus drei Schlüsselelementen – einem negativen Feedback-Verstärker, einem Differentialpaar und passiven Elementen. Der negative Feedback-Verstärker ist für die Signalverstärkung verantwortlich, das Differentialpaar für die Differentialverstärkung und die passiven Elemente für die Signalstabilisierung und –filterung.
Grundlagen eines Differenzverstärkers: Betriebsprinzipien
Das Funktionsprinzip eines Differentialverstärkers basiert auf der Verwendung von zwei Transistoren, die im aktiven Modus arbeiten. Ein Transistor ist im Modus positiven offset und die zweite ist im Modus negativen Offsets. Dabei werden zwei Eingangssignale an die Basen dieser Transistoren zugeführt.
Eine positive Verschiebung bedeutet, dass die Basis des Transistors mit einer Spannung versorgt wird, die größer ist als die Emitter-Spannung. Dadurch wird der Transistor geöffnet und der Strom beginnt durch den Kollektor zu fließen. Eine negative Verschiebung bedeutet umgekehrt, dass eine Spannung an die Basis des Transistors angelegt wird, eine geringere Emitterspannung ist vorhanden und der Transistor schließt sich.
Somit verstärkt ein Differenzverstärker die Differenz der Eingangssignale, da der Strom durch den Kollektor eines Transistors zunimmt und durch den Kollektor eines anderen abnimmt. In diesem Fall nimmt der Strom durch den Kollektor des ersten Transistors zu, wenn die Differenz der Eingangssignale positiv ist, und der Kollektor des zweiten Transistors nimmt ab. Eine ähnliche Situation wird bei einer negativen Differenz der Eingangssignale beobachtet.
Daher verstärkt ein Differenzverstärker die Eingangsdifferenz und unterdrückt das Gesamtsignal, was ihn in vielen elektronischen Geräten, einschließlich Audioverstärkern, Radios und Fernsehgeräten, sehr nützlich macht.
Struktur des Differenzverstärkers
Die Hauptkomponenten eines Differentialverstärkers umfassen zwei Eingangstransistoren, die normalerweise im Emitter-Repeater-Modus betrieben werden. Diese Transistoren sind so verbunden, dass die Signale an ihren Basen eine entgegengesetzte Phase haben.
Als nächstes werden die Signale von den Kollektoren dieser Transistoren mit den Lastwiderständen verbunden, wobei diese Widerstände eine Ausgangskaskade eines Differentialverstärkers bilden. Der Ausgang des Verstärkers erfolgt über Trennkondensatoren.
Auch in der Struktur des Differentialverstärkers befinden sich Stromquellen, die eine Quellspannung für Transistoren erzeugen. Sie bieten die notwendigen Betriebsbedingungen für den ordnungsgemäßen Betrieb des Verstärkers.
Ein wichtiges Element des Differentialverstärkers sind auch verbindende Kondensatoren, die die Eingangs- und Ausgangsschaltungen des Verstärkers trennen und verhindern, dass die konstante Komponente des Signals in den Ausgang gelangt.
Zusammen bilden alle diese Komponenten eine komplexe Struktur eines Differenzverstärkers, der die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen verstärken kann. Aufgrund ihrer Struktur und ihres Funktionsprinzips finden Differentialverstärker eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen der Elektronik und Audiotechnik.
Differenzeingang
Der Differentialverstärker hat zwei Eingänge, die mit "+" und "-" gekennzeichnet sind. Das an den "+" -Eingang gesendete Signal wird als positives oder nichtinvertierendes Signal bezeichnet, während das an den "-" -Eingang gesendete Signal als negatives oder invertierendes Signal bezeichnet wird.
An den Eingängen des Verstärkers können Signale mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen gesendet werden. Der Differentialeingang dient dazu, das Signal am Eingang "-" vom Signal am Eingang "+" zu subtrahieren. Die Differenz zwischen diesen beiden Signalen wird verstärkt und in ein Ausgangssignal umgewandelt.
Durch den Differentialeingang werden allgemeine Geräusche und Störungen vermieden, die beide Eingänge des Verstärkers gleichzeitig beeinflussen können. Wenn jedoch dasselbe Signal an beide Eingänge gesendet wird, wird es unterdrückt und die Signaldifferenz am Ausgang ist Null. Ein Differenzverstärker ermöglicht somit die Verstärkung der Differenz zwischen den Signalen an den Eingängen und die Unterdrückung des Gesamtsignals.
Transistoren im Differenzverstärker
Die Hauptelemente eines Differentialverstärkers sind Transistoren. Transistoren können mehrere Typen haben: bipolar (npn, pnp) oder Feld (n-Kanal, p-Kanal). Ein Differenzverstärker verwendet normalerweise Transistorpaare.
In einem bipolaren Differentialverstärker besteht jede Hälfte aus zwei Transistoren. Ein Transistor ist npn und der andere ist pnp. Diese Transistoren sind so verbunden, dass sie eine Emitterverbindung bilden, und die Basis eines Transistors ist mit dem Kollektor eines anderen Transistors verbunden. Ein solches Schema wird als Kaskade bezeichnet.
Der Felddifferenzverstärker verwendet Feldeffekttransistoren. Es besteht auch aus einem Paar Transistoren, von denen einer n-Kanal ist und der andere p-Kanal ist. Diese Transistoren bilden eine Kaskadenverbindung, wobei das drain eines Transistors mit der source eines anderen Transistors verbunden ist und das Gate beider Transistoren miteinander verbunden ist. Ein solches Schema wird als Kaskade mit gemeinsamem Ursprung bezeichnet.
Die Transistoren im Differentialverstärker arbeiten im aktiven Modus, in dem sie die Eingangssignale in verstärkte und differenzierte Signale umwandeln. Darüber hinaus bieten Transistoren eine Stabilität der Differentialverstärkung, indem sie Feedback verwenden und bestimmte Strom- und Spannungen in der Schaltung beibehalten.
Betriebsart des Differenzverstärkers
Es gibt mehrere Betriebsmodi für den Differenzverstärker, von denen die wichtigsten sind:
1. Einwegverstärkung
In diesem Modus verstärkt der Differentialverstärker nur eine Halbperiode des Eingangssignals. Die zweite Halbwertszeit wird ignoriert oder unterdrückt. Dazu wird die Oberflächenmontage der Kontaktauflage (SMD) verwendet.
2. Zwei-Wege-Verstärkungsmodus
In diesem Modus verstärkt der Differentialverstärker sowohl die positiven als auch die negativen Halbperioden des Eingangssignals. Dies sorgt für eine vollständigere Verstärkung und Genauigkeit bei der Signalübertragung.
Der Betriebsmodus eines Differentialverstärkers wird durch die Konfiguration seiner Ein- und Ausgangsschaltungen sowie durch den Anschluss externer Elemente bestimmt.
Die Notwendigkeit, den Betriebsmodus eines Differenzverstärkers zu wählen, hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. In einigen Fällen ist es erforderlich, nur positive oder nur negative Signale zu verstärken. In anderen Fällen müssen sowohl positive als auch negative Signale verstärkt werden.
Der Betriebsmodus eines Differenzverstärkers ist bei der Entwicklung elektronischer Geräte und Systeme unerlässlich. Die sorgfältige Auswahl des Modus ermöglicht es Ihnen, die gewünschte Genauigkeit und Stabilität des Verstärkers in einer bestimmten Situation zu erreichen.
Ausgangspegel des Signals
Der Ausgangspegel des Differenzverstärkers wird durch die Differenz zwischen den Eingangssignalen bestimmt. Wenn keine Differenz zwischen den Eingangssignalen besteht, bleibt der Ausgangspegel nominal und gleich Null.
Wenn ein Mehrphasensignal mit gleicher Amplitude an den Eingang des Verstärkers gesendet wird, ist die Verstärkung Null und das Ausgangssignal bleibt ebenfalls auf dem Nennpegel. Wenn jedoch eine Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen vorliegt, beginnt die Signalverstärkung und der Ausgangspegel steigt an.
Der Ausgangspegel des Signals hängt direkt von der Verstärkung des Differenzverstärkers und der Amplitude der Differenz zwischen den Eingangssignalen ab. Je größer die Amplitude der Differenz zwischen den Signalen ist, desto größer ist der Ausgangspegel des Signals.
Ein Differentialverstärker ermöglicht ein Ausgangssignal, das doppelt so stark wie die Differenz der Eingangssignale ist. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie die Differenz zwischen zwei Signalen verstärken und die Gesamtkomponente unverändert lassen möchten.
Vorteile eines Differenzverstärkers
- Keine Gleichstromverschiebung: Der Differentialverstärker vermeidet eine Gleichstromverschiebung im Ausgangssignal. Dies verbessert die Genauigkeit und Stabilität des Verstärkers.
- Störunterdrückung: Der Differentialverstärker hat die Fähigkeit, allgemeine Störungen zu unterdrücken, wie z. B. Hinweise von elektromagnetischen Feldern oder Gleichstromverschiebungen in der Signalquelle. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie mit kleinen Signalen oder in lauten Umgebungen arbeiten.
- Erhöhen des Signalpegels: Ein Differenzverstärker kann die Differenz der Eingangssignale verstärken, wodurch der Pegel des Ausgangssignals erhöht wird. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie mit schwachen Signalen arbeiten oder wenn eine Rauschunterdrückung erforderlich ist.
- Hohe Linearität: Der Differentialverstärker verfügt über eine hohe Linearität über einen weiten Eingangssignalbereich. Dies bedeutet, dass es in der Lage ist, das Eingangssignal am Ausgang mit hoher Genauigkeit und geringer Verzerrung darzustellen.
- Komfort im Design: Der Differentialverstärker hat eine einfache Struktur und lässt sich leicht in andere elektronische Schaltungen integrieren. Dies macht es bequem und flexibel bei der Entwicklung verschiedener Geräte zu verwenden.
Die Vorteile eines Differenzverstärkers machen ihn zu einer unverzichtbaren Komponente in einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Signalverstärkung erforderlich ist.
